På SLAC:s Linac koherenta ljuskälla, forskarna sprängde ett järnprov med laserpulser för att avmagnetisera det, betade sedan provet med röntgenstrålar, med hjälp av de mönster som bildas när röntgenstrålarna sprids för att avslöja detaljer om processen. Upphovsman:Gregory Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
För mer än 100 år sedan, Albert Einstein och Wander Johannes de Haas upptäckte att när de använde ett magnetfält för att vända det magnetiska tillståndet hos en järnstång som hängde från en tråd, stången började rotera.
Nu har experiment vid Department of Energy:s SLAC National Accelerator Laboratory för första gången sett vad som händer när magnetiska material avmagnetiseras med ultrasnabba hastigheter på en miljonedel av en miljarddel av en sekund:Atomerna på materialets yta rör sig, ungefär som järnstången gjorde. Arbetet, utförd på SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser, publicerades i Natur Tidigare den här månaden.
Christian Dornes, en forskare vid ETH Zürich i Schweiz och en av rapportens huvudförfattare, säger att detta experiment visar hur ultrasnabb avmagnetisering går hand i hand med det som kallas Einstein-de Haas-effekten, lösa ett mångårigt mysterium på området.
"Jag lärde mig om dessa fenomen i mina klasser, men att faktiskt på egen hand se att överföringen av vinkelmoment faktiskt får något att röra sig mekaniskt är riktigt coolt, "Dornes säger." Att kunna arbeta på atomskala så här och se relativt direkt vad som händer hade varit en total dröm för de stora fysikerna för hundra år sedan. "
Snurrande hav av åkare
I atomskala, ett material är skyldigt sin magnetism till sina elektroner. I starka magneter, magnetismen kommer från en kvantegenskap hos elektroner som kallas spin. Även om elektronspinn inte innebär en bokstavlig rotation av elektronen, elektronen fungerar på vissa sätt som en liten snurrande boll av laddning. När de flesta snurr pekar i samma riktning, som ett hav av skridskoåkare som piruetterar i samklang, materialet blir magnetiskt.
Forskare från ETH Zürich i Schweiz använde LCLS för att visa en koppling mellan ultrasnabb demagnetisering och en effekt som Einstein hjälpte till att upptäcka för 100 år sedan. Kredit:Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
När magnetiseringen av materialet reverseras med ett externt magnetfält, skridskoåkarnas synkroniserade dans förvandlas till en hektisk galenskap, med dansare som snurrar åt alla håll. Deras nettovinkelmoment, vilket är ett mått på deras rotationsrörelse, faller till noll när deras snurr avbryter varandra. Eftersom materialets vinkelmoment måste bevaras, det omvandlas till mekanisk rotation, som Einstein-de Haas-experimentet visat.
Vrid och skrik
1996, forskare upptäckte att zapping av ett magnetiskt material med en intensiv, supersnabb laserpuls avmagnetiserar den nästan omedelbart, på en femtosekund tidsskala. Det har varit en utmaning att förstå vad som händer med vinkelmoment när detta inträffar.
I det här pappret, forskarna använde en ny teknik vid LCLS kombinerat med mätningar gjorda vid ETH Zürich för att länka dessa två fenomen. De visade att när en laserpuls initierar ultrasnabb demagnetisering i en tunn järnfilm, förändringen i vinkelmoment omvandlas snabbt till en initial kick som leder till mekanisk rotation av atomerna på provets yta.
Enligt Dornes, en viktig borttagning från detta experiment är att även om effekten bara är synlig på ytan, det händer genom hela provet. När vinkelmoment överförs genom materialet, atomerna i huvuddelen av materialet försöker vrida men avbryter varandra. Det är som om en skara människor packade på ett tåg som alla försökte svänga samtidigt. Precis som bara människorna i utkanten skulle ha friheten att röra sig, bara atomerna på materialets yta kan rotera.
På SLAC:s Linac koherenta ljuskälla, forskarna sprängde ett järnprov med laserpulser för att avmagnetisera det, betade sedan provet med röntgenstrålar, med hjälp av de mönster som bildas när röntgenstrålarna sprids för att avslöja detaljer om processen. Upphovsman:Gregory Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Skrapa ytan
I deras experiment, forskarna sprängde järnfilmen med laserpulser för att initiera ultrasnabb demagnetisering, betade den sedan med intensiva röntgenstrålar i en vinkel så ytlig att den var nästan parallell med ytan. De använde de mönster som bildades när röntgenstrålarna sprids från filmen för att lära sig mer om var vinkelmomentet går under denna process.
"På grund av den grunda vinkeln på röntgenstrålarna, vårt experiment var otroligt känsligt för rörelser längs materialets yta, "säger Sanghoon Song, en av tre SLAC -forskare som var inblandade i forskningen. "Detta var nyckeln till att se den mekaniska rörelsen."
För att följa upp dessa resultat, forskarna kommer att göra ytterligare experiment på LCLS med mer komplicerade prover för att mer exakt ta reda på hur snabbt och direkt vinkelmomentet flyr in i strukturen. Vad de lär sig kommer att leda till bättre modeller för ultrasnabb demagnetisering, vilket kan hjälpa till med utvecklingen av optiskt styrda enheter för datalagring.
Steven Johnson, en forskare och professor vid ETH Zürich och Paul Scherrer-institutet i Schweiz som ledde studien, säger att gruppens expertis inom områden utanför magnetismen tillät dem att närma sig problemet från en annan vinkel, bättre positionera dem för framgång.
"Det har varit många tidigare försök från andra grupper att förstå detta, men de misslyckades eftersom de inte optimerade sina experiment för att leta efter dessa små effekter, "Johnson säger." De överbelastades av andra mycket större effekter, såsom atomrörelse på grund av laservärme. Vårt experiment var mycket mer känsligt för den typ av rörelse som följer av vinkelmomentöverföringen. "
